低功耗开关的相变材料碳纳米管电极外文翻译资料

 2021-10-24 14:18:49

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低功耗开关的相变材料碳纳米管电极

相变材料(PCMs)是一种很有前途的非易失性数据存储和可重构电子器件，但高编程电流对实现低功耗运行提出了挑战。我们用单壁和小直径多壁碳纳米管控制PCM位。这种配置实现了0.5微安(set)和5微安(reset)的编程电流，比目前最先进的设备低两个数量级。脉冲测量使内存切换具有非常低的能源消耗。

对100多台设备的分析发现，编程电压和能量是高度可伸缩的，可能分别低于1伏和1飞焦耳每比特。

相变材料(PCMs)，如Ge2Sb2Te5 (GST)等硫系化合物，具有非晶态(a)和晶态(c)相，具有不同的电学和光学性质。吸附的活性物质可重写的数字视频光盘(DVD),在阶段转换是由脉冲激光诱导和阅读(1、2)。电可编程的数据元PCM都被存储为钻头电阻率(3 - 6)的变化,可以可逆地切换电压脉冲和较短的局部焦耳加热。从这个意义上说，PCM比其他半导体存储器更有吸引力。在其他半导体存储器中，数据以电荷的形式存储，容易发生泄漏和挥发性行为。电可编程PCM在非易失性存储器中得到了广泛的应用

(7,8)和可重编程电路(5,6)具有低电压操作、快速访问时间和高耐久性(3,4)。这些特性使它们成为“通用”非易失性存储器的竞争者，这种存储器可以取代从随机存取存储器到硬盘的所有数据存储。然而，PCMs的一个缺点是其高编程电流(gt;0.1 mA)，因为焦耳热必须耦合到一个有限的位体积，以前是通过30- 100纳米线(9-11)或金属互连线(12-14)实现的。

我们使用直径在1 ~ 6纳米的碳纳米管(CNTs)作为电极(15,16)，可逆地诱导纳米级GST位的相变。我们的发现解决了PCM可编程位的潜在尺寸和功耗降低问题。我们演示了编程电流从0.5 mA到8 mA的可逆切换，比最先进的PCM设备低两个数量级。我们还提出了一项设备升级研究，该研究表明，在电压低于1伏、能量低于飞焦耳每比特的情况下，内存切换是可能的。

本工作中使用的CNTs是通过化学气相沉积(CVD)和Fe催化剂颗粒在SiO2/Si衬底上生长的(17,18)[另见(19)]。我们得到了单壁和小直径多壁碳纳米管，发现它们都可以用来开关GST比特。生长的CNTs与Ti/Pd (0.5/ 40nm)金属接触分离1至5毫米(图S1)。然后，我们通过空气中或Ar流下的电击穿(20)在CNTs中创建纳米级间隙，如图1和图2A(左插图)所示。这种简单的方法在100多个器件中产生了广泛的纳米间隙(从20到300纳米)，这对我们后续的定标研究至关重要。纳米间隙通常位于CNT的中心附近，与电击穿位置一致，且Pd接触电阻可以忽略不计(20,21)。然后，在器件表面溅射一层~ 10nm的GST薄膜(图S2)，之前的设置可以保持CNTs(18,19)良好的电特性。这种沉积填充了碳纳米管的纳米间隙，形成了自组装的横向PCM位(图1)。这种器件可以很容易地切换并通过原子力显微镜(AFM)进行检测(图2);然而，在GST之后沉积的~5纳米SiO2封盖层(12)用于延长开关寿命。器件最初处于关闭状态(图1C)，因为沉积的GST薄膜是非晶态的(a-GST)，具有高电阻性，具有电阻ROFF ~ 50莫姆(22)。在CNTcontacts上应用Avoltage可以在纳米间隙中产生一个相当大的电场(E-field)，并将GST位转换为晶体相(c-GST)，从而将器件电阻降低约两个数量级，降至RON ~ 0.5 Mohm。虽然a-GST覆盖了整个器件，但开关只发生在奈米隙中，奈米隙是电子场和焦耳加热的最高位置。

为了测试初始记忆开关，我们测量了不同器件之间的电流和测量电压(图2)。非晶位显示了阈值电压VT下的开关，这是典型的GST(7,8)，并在高电场下急剧转变为导电相。重要的是，我们注意到CNT电极上的电压下降很少，这一点通过有限元(FE)模拟得到了证实(19)，CNT电极的导电性总是比GST比特高。即使在~10-nm薄膜中，a-GST材料的输运也是温度活化的(23)，如图2A(右插图)所示，并在(19)中进行了讨论。一旦阈值开关发生，位元就会因焦耳加热而结晶，这标志着集的转变。在100多个被测器件中，设置电流为~1 mA(19)，比传统PCM器件设置电流低两个数量级。然而，VT随纳米间隙大小线性缩放(见下文)。这种线性关系提供了强有力的证据，证明a-GST中的阈值开关是由e场(24,25)驱动的，即使在这里讨论的最小位大小也是如此。

图1

图1所示。CNT-PCM器件原理图。(A) CNT在电应力作用下击穿后形成纳米间隙的AFM成像(20)。(B)预制装置的AFM图像。(C和D)沉积GST薄膜后得到的器件原理图。该器件在制备后立即处于关闭状态，纳米隙中具有高阻的a-GST。(D)当纳米隙中的电场将位元转换为导电的c-GST相后，器件被切换到打开状态。

我们通过脉冲测量研究了设备的可逆开关。在图3A中，我们从电阻关断状态开始，经过一系列持续时间相同(150ns)且振幅不断增大的脉冲，绘制出电阻。当电流超过~1毫安时，电阻突然减小，标志着集的跃迁。如图2所示，这标志着纳米隙中的GST转变为c相，从而“重新连接”了两个CNT电极。当电流超过~5 mA时，电阻再次增大，这是复位过渡。这种行为与钻头(7)的快速熔化和淬火相一致，使材料返回到a-GST相。如图3B所示，在SiO2包覆的器件中，重复的细胞切换(图3B)经过几百次循环后显示出良好的稳定性。这里检测的钻头尺寸一般由小的纳米间隙(可达~ 20nm)、薄的GST薄膜(可达~ 10nm)和CNT电极直径(可达~1 ~ 6nm)决定。GST(19)的低导热性似乎在将钻头侧向约束在不大于CNT直径的范围内发挥了作用。如图2C和图S6所示，位元横向范围较小，仿真结果也证实了这一点(19,26)。我们估计这里处理的有效位体积只有几百立方纳米。

我们在图4中对100多个设备进行了统计研究。首先，我们将RON和ROFF与各自的阈值电压VT绘制在图4A中，显示了每个研究设备的两种不同的内存状态。在制备过程中，61个碳纳米管纳米间隙在空气中形成，44个碳纳米管纳米间隙在Ar流下形成，Ar流由于氧的减少而产生更小的间隙(15,19)。我们注意到ROFF值相当稳定(22)。然而，RON与VT成比例缩放，如图4A所示，因为RON和VT都与纳米间隙大小有关。RON受c-GST的电阻控制，并且与纳米间隙大小成正比，因为CNT电极的导电性更强。纳米间隙的大小也决定了VT，因为在a-GSTis中阈值开关是由纳米间隙中的电场驱动的。图4B中VT与纳米间隙大小之间的线性缩放趋势支持了这一观察，平均阈值场为~100 V/mm。该值与30 nm GST薄膜中测量到的56-V/mm阈值场(27)相当，比SiO2击穿场(28)低一个数量级，说明开关确实发生在GST位上。在空气和Ar中制造的所有纳米间隙中，均存在相同的电流，范围在0.5到4ma之间(图S7C)。复位电流通常要高4倍，从5到8.5 mA不等，如图3和图S7D所示。

我们评论了这种材料和技术的最终尺度限制。对于我们的“最佳”结果，开关发生在lt;1毫安(集)，~5毫安(重置)，和~3伏跨越20至30纳米纳米差距，只有几微瓦的编程能力。编程电流和功率比目前的技术水平(12-14)低两个数量级，这是由于单个CNT处理的PCM的体积非常小。用我们最锐的脉冲(~ 20ns)所获得的每比特的最小能量为~ 100fj。然而,VT nanogap大小的线性趋势(图4 b)显示,这类设备是高度可伸缩的,表明~ 5-nm销售税比特问电极可以在V ~ 0.5和lt; 1马,这样纳秒切换*(29、30)将导致sub-femtojoule每一点能源消耗额外的(估计看到第六节(19)]。低压操作也可以通过使用阈值较低的材料来实现，如GeSb(27)。这些结果对于基于可编程PCM的纳米碳互连的超低功耗电子器件和存储器具有重要的意义。

图2所示。初始antifuse-like切换。(A) CNT直径~ 3nm、纳米间隙~ 35nm、GST膜厚~ 10nm器件的电流电压。第一次扫描(no。1)在~1 mA, VT = 3.5 V时，开启(a→c)位。随后保留c-GST位相(no。2).左侧插图显示了用于在GST沉积前形成纳米间隙的CNT的电流电压(20)。右图插图为a-GST沉积后亚阈值区温度活化转运[图9(19)]。活化能~0.38 eV随电压(19)略有降低，与失序a-GST中trap辅助输运的结果一致(23)。(B和C)切换前后同一设备的AFM图像。在没有盖层(18)的情况下，在这里切换后可以看到间隙中GST体积的微小变化。参见(19)中的图S6。

图3所示。使用脉冲测量的可逆内存操作。(A)器件电阻与电流脉冲大小的关系。根据我们的实验设置，set和reset脉冲的宽度分别为150ns (20 ns跌落边缘)和50ns (8 ns跌落边缘)。在1毫安(set)和5毫安(reset)电流下可以看到明显的跃迁，比目前的技术水平(9-14)低两个数量级。(B)记忆耐力测试显示开、关状态分离良好，数百次循环后无退化(set pulse, 1.5 mA, 150 ns;复位脉冲，6.0 mA, 50ns)。这里所示的器件被~5纳米二氧化硅盖层覆盖。

图4所示。内存设备的缩放趋势。(A) 105个器件的通态和关态电阻随VT变化。其他44个器件是在Ar流(实体符号)下形成的。ar形成的纳米间隙始终更小(lt;100 nm)，产生的功率更低。虚线是引导眼睛的趋势。(B)阈值电压比例尺与纳米间隙大小成比例，平均场为~100 V/mm。虚线是线性拟合，表示设备具有良好的可伸缩性。横向误差条是AFM下纳米间隙测量的不确定度估计。

引用和笔记

[1]. M. Wuttig, N. Yamada, Nat. Mater. 6, 824 (2007).

[2]. A. V. Kolobov et al., Nat. Mater. 3, 703 (2004).

[3]. H.-S. P. Wong et al., Proc. IEEE 98, 2201 (2010).

[4]. M. H. Lankhorst, B. W. Ketelaars, R. A. Wolters, Nat. Mater. 4, 347 (2005).

[5]. K. N. Chen et al., IEEE Electron Device Lett. 29, 131 (2008).

[6]. S.-M. Yoon, S.-W. Jung, S.-Y. Lee, Y.-S. Park, B.-G. Yu, IEEE Electron Device Lett. 30, 371 (2009).

[7]. G. W. Burr et al., J. Vac. Sci. Technol. B 28, 223 (2010).

[8]. S. Raoux, W. Wełnic, D. Ielmini, Chem. Rev. 110, 240 (2010).

[9]. S.-H. Lee, Y. Jung, R. Agarwal, Nat. Nanotechnol. 2, 626 (2007).

[10]. D. Yu, S. Brittman, J. S. Lee, A. L. Falk, H. Park, Nano Lett. 8, 3429 (2008).

[11]. S. Meister, D. T. Schoen, M. A. Topinka, A. M. Minor, Y. Cui, Nano Lett. 8, 4562 (2008).

[12]. Y. C. Chen et al., in International Electron Devices Meeting 2006 (IEDM) (IEEE, Piscataway, NJ, 2006); 10.1109/IEDM.2006.346910.

[13]. J. I. Lee et al., in 2007 IEEE Symposium on VLSI Technology (IEEE, Piscataway, NJ, 2007), pp. 102–103, 10.1109/VLSIT.2007.4339744.

[14]. D. H. Im et al., in International Electron Devices Meeting 2008 (IEDM) (IEEE, Piscataway, NJ, 2008); 10.1109/IEDM.2008.4796654.

[15]. P. Qi et al., J. Am. Chem. Soc. 126, 11774 (2004).

[16]. C. M. Aguirre, C. Ternon, M. Paillet, P. Desjardins, R. Martel, Nano Lett. 9, 1457 (2009).

[17]. A. Liao, Y. Zhao, E. Pop, Phys. Rev. Lett. 101, 256804 (2008).

[18]. F. Xiong, A. Liao, E. Pop, Appl. Phys. Lett. 95, 243103 (2009).

[19]. Additional experimental data and simulations are available as supporting materials on Science Online.

[20]. A. Liao

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